2019-06-24

空气净化器净化机理与过滤效率的研究

摘要:空气中环境污染成分比较复杂,而空气净化的方式也是有多种选择,其不同的净化机理决定了净化效果的不同。根据某品牌净化器,设定过滤净化参数,通过试验,研究其在不同参数下其净化效率的变化,来确定最佳的净化方式与净化参数。

关键词:空气净化;净化机理;净化效率

一、空气净化的要求与形式

一般来说,我们通常需要净化的空间大致可分为4类,其工作要求的重点也不一样:

(一)居家环境

过滤室内悬浮微粒、二手烟、臭味、霉菌、尘蹒、灰尘、花粉。

(二)办公商业场所

去除空气中装潢建材、具挥发性之有机物质、 保持通风管道卫生,室内空气流通。

(三)医疗场所

防止空气中病菌传播,净化隔离病房病毒。

(四)工作环境

消除空气微粒以维持产品质量,防止其变质、刮伤,以及净化机台、仪器所释放出的有毒气体。

依据滤网种类我们把空气净化方法分为以下几种:

  1. 机械式滤网:(1) 平板滤网 (2) 折叠滤网 (3) 高效滤网
  2. 电子式滤网:(1) 静电集尘 (2) 负离子产生器
  3. 混合式滤网:(1) 静电滤网 (2) 双极滤网
  4. 气态滤网:(1) 物理吸附 (2) 化学吸附

二、尘粒捕集主要机制

(一)惯性冲击

利用惯性或重力收集较大微粒,当微粒的惯性比较大时,它便无法跟随流体之流线绕过障碍物,继续作直线运动而冲击于障碍物上而被收集。

(二)拦截捕集

当气流通过障碍物时,会分别从障碍物上方及下方经过,经过的过程中,粒子的边缘碰触到障碍物,则悬浮微粒极会被拦截,粒子颗粒越大则愈容易捕集。

(三)扩散捕集

微小的粒子会因为被空气分子撞击而在气流中产生不规律的振动,当振动的小粒子碰到滤材纤维时,就会被捕集,这种不规律的振动主要取决于粒子的粒径及当时之温度,当粒径越小、温度越高时,这种效应比较显著。另外当空气的流速较低时,因为粒子在滤材内的时间相对的增加,因此扩散捕集的效应也较为显著。

(四)静电捕集

若滤材本身含有静电,而且悬浮微粒含有正负性相反的静电,当悬浮微粒随着气流通滤除材时,静电的吸附力会将粒子吸附于滤材上。

其几种捕集形式可由图1所示。


图1 捕集形式

三、过滤效率——(efficiency of filtration)

过滤效率是依据可穿透离子大小及过滤微尘粒子的数量来区分的。大多数情况下,过滤效率高低直接取决于以下几个因素:过滤面积、风速、空气阻力等。

(一)空气阻力

气流碰到过滤材料,使气体物质会绕行,并产生微小的阻力,过滤纤维使整个过滤装置在一定风速下产生一定的阻力和成为过滤装置的空气阻力。当过滤装置的阻力达到一定的程度,这个阻力值我们称之为终阴值,要更换过滤装置,才能保证过滤效果。一般情况下,终阻值设定为初祖值的2-4倍。过滤装置越脏,阻值越大,相应的同等风速下风量会越小。


图2 不同风速下的捕集效率

(二)风速

在一般情况下,风速越低,过滤效率越高。在较低风速下,颗粒的扩散时间较长,扩散作用显著,被捕捉的机率越大。气体停留的时间较长,尘埃颗粒撞击障碍物机会会更大。其一次过滤效果比较好。对于效率高的滤芯材料,气流速度减小50%,颗粒物通过滤材的机率降低而效率会提高。风速增加 50%,透过滤材的粉尘机率会也会增大50%,效率会降低相应值。

在风速较低的时候,大颗粒作惯性运动,与纤维碰撞的机率减小,但是在实际应用中这种影响并不明显,如风速降低,纤维对颗粒的反弹力也相应减小了,颗粒更容易黏附,过滤效果会有较明显的提高。实际应用中尽量设定合理的低风速过滤参数,对过滤效率有很大的好处。图2为不同风速下捕集效率。

(三)过滤面积

过滤材料的阻力与气流量和流速非常相关,一般随着气流量和流速的增大而增加。而黏附的粉尘或被拦截的颗粒,造成对气流产生的阻力增大,使其气阻增大。另外,由于被捕捉的粉尘过滤介质结合后,形成新的过滤媒介,其过滤屏障使过滤效率又略有改善。但整体的过滤效果取决于过滤装置面积的大小。

另外,湿度和带电量大小对捕集效率也有较大影响。图3为不同湿度下捕集效率与图4不同粒径荷电大小对捕集效率的影响。


图3 不同风速下捕集效率


图4 不同粒径荷电大小对捕集效率的影响

四、其它辅助过滤方式

(一)负离子与静电

在科学上,带有正负电荷的原子与分子通常叫离子,而带有负电荷就称为负离子。我们的环境中,由于空气中弥漫粉尘颗粒和化学物质,使得负离子逐步降低,而正离子浓度升高,使空气质量趋于恶化。在正离子过多的空气下,人们不适应而产生环境问题带来的不舒适,甚至痛苦与疾病等。所以,创造负离子,主要是降低空气中的颗粒含量,用静电式处理使其沉淀并带来稳定的负离子供应,向人们提供舒适的感觉,因此,负离子或负氧离子通常称为空气中的维生素和天然清洁器。

(二)紫外光和光触媒

光触媒是属于半导体材料,最常见的是二氧化钛(TiO2)。光照射后光子的能量被TiO2 吸收,电子会从其基态被激发至较高能阶,将共价带(valence band) 的一个电子提升到传导带 (conduction band),结果产生一对自由电子 - 电洞。在紫外光照射后产生电子 - 电洞对。电洞可以产生氧分子或OH自由基 (radical),具强氧化能力。电子在氧的存在时生成双氧水H2O2或超氧分子(super oxygen,O2-),也具有很强的氧化能力TiO2产生的强氧化能力,可用于分解具有毒性有机物质,将环境中污染物去除净化。

五、结论

污染物漂浮在空气中,经过呼吸道进入人的身体内部。PM2.5 在现今越来越严重,所以空气过滤器在当今空气污染日渐严重时就格外的重要。在工业污染越来越严重的今天,空气过滤器相对的非常重要。如果把空间局限在某一个场所内,对特定区域进行管理控制,使用空气过滤器解决室内空气污染的问题效果相当的不错,在已开发国家空气过滤器的普及率已经接近了30%,相信在未来,空气过滤器也会越来越普及,市场需求量日渐增加。


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